La búsqueda directa de partículas de materia oscura tipo WIMP de baja masa es muy complicada con los experimentos actuales. Una alternativa razonable es el uso de colisionadores de partículas como el LHC, cuya mayor limitación es que se basan en modelos teóricos concretos para la interacción entre la materia oscura y la ordinaria mediante partículas mediadoras. El pasado martes 21 se presentaron los resultados más recientes del detector CMS para colisiones a 8 TeV cm. de 2012 en un seminario en el CERN. Por supuesto, sólo se publicaron nuevos límites de exclusión.
La charla generó cierta expectación en los medios. Pero como sólo se han mejorado los límites de exclusión en la región de baja masa, por debajo de 30 GeV, pocos medios han acabado haciéndose eco. Estos análisis son muy difíciles de ejecutar y lo más importante de los nuevos resultados es que muestran el buen funcionamiento de las técnicas de análisis, lo que promete importantes mejoras de los límites de exclusión gracias a las colisiones del LHC Run II a 13 TeV c.m. iniciadas este año. Por supuesto, dichas mejoras las veremos el año próximo. Más información en Philip Coleman Harris (CERN), “Recent results on searches for direct production of dark matter with the CMS detector,” LHC Seminar, 21 Jul 2015 [slides + video].
Las partículas de materia oscura (como le ocurre a los neutrinos) no dejan señal en los detectores. Sólo se observan como cierta energía que se pierde en una colisión. La interacción de la materia oscura (partículas χ) con la ordinaria (partículas conocidas) requiere una partícula mediadora. No podemos observar dicha partícula mediadora de forma directa, pero su producción puede venir acompañada de otras partículas que podemos observar. Por tanto, la búsqueda de partículas de materia oscura requiere buscar esta señal visible que acompaña a la partícula mediadora en una colisión que muestra un gran asimetría en energía (es decir, una gran pérdida de energía en cierta dirección). Algo así como que en una foto en la que vemos una persona saliendo por una puerta y sólo vemos una pierna, lo que nos hace pensar que tiene dos piernas, estando la otra oculta por la puerta; por supuesto, hay personas con una sola pierna (igual que hay ruido de fondo en las colisiones). Los resultados para la búsqueda de materia oscura (DM) dependen de qué señal visible se busque.
Esta figura muestra cuatro posibilidades (hay muchas más). La energía perdida (MET) corresponde a la creación de un par partícula-antipartícula de materia oscura. Todas estas posibilidades tienen sucesos de fondo (o ruido) que involucran la producción de pares neutrino-antineutrino, que también se observan como MET. El esquema (1) se suele llamar DM+Jet o monojet, porque se observa como un chorro hadrónico de gran energía; el esquema (2) también se suele incluir entre los análisis de tipo monojet cuando se combinan chorros hadrónicos y leptónicos. Los esquemas (3) y (4) están en la categoría DM+W/Z o dijets, porque se obervan dos chorros hadrónicos o leptónicos de gran energía.
La búsqueda de sucesos con un único chorro (monojets) presenta un “misterioso” exceso en la cola (altas energías), pero de solo 1-2 sigmas (es decir, casi con toda seguridad se trata de una fluctuación estadística). Uso el término misterioso porque lo usa Harris en su charla, pero este tipo de fluctuaciones no tienen nada de misterioso, son tan normales como que la mayoría de las personas tienen dos piernas. Así que nadie vaya mandando repicar las campanas. Lo habitual es que el año próximo desaparezca.
Los nuevos resultados del detector CMS para los sucesos con dos chorros hadrónicos también muestran un pequeño exceso (figura izquierda) y un pequeño defecto (figura derecha) en las colas (alta energía) respecto a las predicciones teóricas, pero menos significativos aún (1,0 σ y 1,5 σ, resp.). De nuevo simples fluctuaciones estadísticas que pocos (salvo los extremadamente optimistas) esperan que crezcan en futuros análisis con colisiones a mayor energía (13 TeV c.m.).
Los análisis de sucesos con dos chorros leptónicos y pérdida de energía muestran un pequeño defecto, pero de nuevo poco significativo. La búsqueda de materia oscura en el LHC se realiza en gran número de canales (métodos de búsqueda). No quiero entrar en más detalles para no aburrir a los lectores, pues todos los resultados son similares. No se observa nada. Pero no observar nada es algo importante porque permite obtener nuevos límites de exclusión.
Para interpretar los resultados de CMS y compararlos con los resultados de los experimentos que realizan búsquedas directas de la materia oscura hay que clasificar las diferentes observaciones en interacciones dependientes del espín e interacciones no dependientes del espín. Para ello se usa un modelo efectivo para la interacción de la materia oscura vía la partícula mediadora con la materia ordinaria. Se pueden considerar cuatro tipos de vértices diferentes: corriente vectorial, corriente axial, corriente escalar y corriente pseudoescalar, resumidas en esta figura. En realidad para cada uno hay diferentes variantes (CMS ha considerado 24 modelos diferentes). No quiero entrar en más detalles técnicos, los interesados pueden consultar Daniel Abercrombie et al., “Dark Matter Benchmark Models for Early LHC Run-2 Searches: Report of the ATLAS/CMS Dark Matter Forum,” arXiv:1507.00966 [hep-ex].
Los resultados dependen del modelo teórico, con lo que los datos de CMS resultan un gran número de curvas de exclusión (a diferencia de los resultados habituales en los experimentos de búsqueda directa como LUX). Lo más interesante es que para energías bajas (por debajo de 10 GeV) las curvas de exclusión son mejores que las de LUX. Más aún, en el caso de interacción dependiente del espín, difícil de estudiar con LUX, los límites son mejores en todo el rango de energías estudiado (entre 1 GeV y 1000 GeV).
También me gustaría destacar los resultados para partículas escalares (interacción independiente del espín) y pseudoescalares (interacción dependiente del espín). En estas figuras se asume que la partícula escalar/pseudoescalar mediadora tiene la masa del bosón de Higgs (125 GeV), con lo que se obtienen resultados mucho mejores que los de LUX para masas menores de 30 GeV (interacción independiente del espín) y entre 1 y 100 GeV (dependiente del espín).
En resumen, resultados muy interesantes para los expertos, pero quizás de poco interés para el público general que está deseoso de que se descubra de una vez por toda qué es la partícula de materia oscura.
Hay que ser pacientes, quizás no lo sepamos durante muchos lustros.
Para mí lo más interesante es ver que hay búsquedas activas en colisionadores en muchos frentes y que estas búsquedas van a mejorar mucho conforme crezca la energía de las colisiones y la luminosidad integrada (número de sucesos acumulados).
